JPH0543773B2

JPH0543773B2 -

Info

Publication number: JPH0543773B2
Application number: JP447389A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hasegawa; Hirotsugu Haga; Shun Sato; Juichi Sato
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-01-11
Filing date: 1989-01-11
Publication date: 1993-07-02
Also published as: JPH02185940A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は金属材料の液相拡散接合に関し、詳し
くはステンレス鋼、高ニツケル基合金、及び耐熱
合金鋼の液相拡散接合あるいはこれら合金鋼と炭
素鋼の液相拡散接合に有用で、酸化雰囲気中での
接合が可能で、接合強度の高い接合部を得ること
ができることを特徴とする液相拡散接合用材料に
関する。〔従来の技術〕液相拡散接合は接合しようとする材料の間に
箔、粉末、あるいはメツキ等の形態で被接合材よ
りも融点の低い共晶組成を有する合金を介在させ
て加圧し、挿入合金（以下インサートメタルと称
する）の液相線直上の温度に接合部を加熱するこ
とによつて溶融、等温凝固させる接合法であり、
固相接合法の一種と考えられている。比較的低い加圧力で接合できることから、接合
による残留応力や、変形を極力避ける必要のある
接合に用いられ、同時に溶接の困難な高合金鋼、
耐熱鋼の接合にも適用されている技術である。液相拡散接合によつて接合しようとする材料は
多くの場合、合金組成として1.0％以上のCrを含
有する。Cr含有材料は緻密な酸化Cr（多くの場合
Cr₂O₃）皮膜を表面に形成するために、耐酸化
性、耐食性が優れているのが特徴である。従つて
接合時の加熱によつても当然接合面には酸化皮膜
が形成されることとなり、溶融したインサートメ
タルの濡れが阻害され、接合に必要な原子の拡散
が著しく妨げられる。故に従来は特開昭53−81458号公報、特開昭62
−34685号公報、さらに特開昭62−227595号公報
に見られるように何れも接合の際には雰囲気を真
空、不活性、もしくは還元性に保たねばならず、
接合コストの著しい上昇を招いていた。本発明者らは以上の知見に基づき研究を重ねた
結果、成分としてＶを含有するインサートメタル
は酸化雰囲気中でも液相拡散接合が可能であるこ
とを見いだした。しかも、Ｖはインサートメタル
の融点を上昇させる元素ではあるが、他の元素
（本発明においては専らSiおよびＢ、Ｐ、Ｃの複
合添加）を適当に調整することで接合性の極めて
優れたインサートメタルを得ることができること
を見いだした。Ｖを含有し、Si量を増加させ、Ｂ、Ｐ、Ｃを複
合添加した液相拡散接合用合金箔は殆ど前例が無
い。米国特許第3856513明細書にMaYbZcなる組
成を有する合金についての開示がある。式中Ｍは
Fe、Ni、Co、Ｖ、Crからなる群から選ばれる金
属であり、ＹはＰ、Ｂ、Ｃからなる群から選ばれ
る元素であり、ＺはAl、Si、Sn、Ge、In、Sb、
Beからなる群から選ばれる元素であり、ａは約
60〜90原子％の範囲にあり、ｂは約10〜30原子％
の範囲にあり、ｃは約0.1〜15原子％の範囲にあ
る。このような材料は現在周知の処理技術を用い
て溶融物からの急速冷却によつて工業的に製造さ
れ、実用化されている。しかしながらこの場合には、Ｖは基材として使
用することおよび合金をアモルフアス化すること
を目的としたものであつて接合用の合金箔として
開示されたものではない。しかも、Siの含有量が
低く、合金の融点は本発明に比較して相当に高い
ため、液相拡散接合の実現は極めて困難である。
加えてＢ、Ｐ、Ｃ含有量も本発明とは全く異なつ
ており、高いために接合部近傍のMo、もしくは
Cr含有合金側に粗大な析出物を生成するので接
合強度が本発明の箔を用いて得られる接合部に比
較して全く低いものとなる。特開昭53−81458号
公報は米国特許第3856513号明細書記載の合金を
箔の形で提供するものであるが、この場合にはＶ
を成分として含有していないため、酸化雰囲気中
での液相拡散接合は全く不可能である。尚、本発明において「酸化雰囲気」とあるの
は、接合雰囲気中に体積％で0.1％以上の酸素ガ
スを含有し、酸化ポテンシヤルが10^-3atm以上、
即ち還元性のガス、例えばH₂、H₂S、水蒸気そ
の他を含有している場合でも酸化力が酸素濃度相
当で0.1％以上である雰囲気を意味している。また「融点」あるいは「m.p.」とあるのは、２
元以上の合金においては、その状態図上での固相
線を、特に断わらない限りにおいて意味するもの
とする。〔発明が解決しようとする課題〕本発明は上記のような従来の欠点、即ち酸化雰
囲気中における液相拡散接合において被接合材表
面に生成し、拡散接合を妨げるCr酸化皮膜を無
害化して酸化雰囲気下においても液相拡散接合を
可能ならしめるために為されたものであつて、Ｖ
をインサートメタルの成分として含有することで
Cr酸化皮膜を低融点のCr₂O₃−V₂O₅複合酸化物
化することによつて球状化し、液相拡散接合に対
して無害化して、酸化雰囲気下での液相拡散接合
を実現する液相拡散接合用合金箔を提供すること
を目的としている。〔課題を解決するための手段〕本発明者らは酸化雰囲気中で液相拡散接合を施
工する場合において、Ｖを0.1〜20.0at％含有し、
Siを増加し、加えてＢ、Ｐ、Ｃを複合添加したイ
ンサートメタルを用いれば、接合が可能であるこ
とを見いだした。本発明はこうした知見に基づいてなされたもの
で、その要旨とするところは、原子％でＢ：0.5
％〜10.0％未満、Ｐ：0.5％〜10.0％未満、Ｃ：
0.5％〜10.0％未満の２種以上を含有し、Si：15.0
％〜30.0％、Ｖ：0.1％〜20.0％、あるいは更に(A)
Cr：0.1％〜20.0％、Fe：0.1％〜20.0％、Mo：
0.1％〜20.0％、の１種または２種以上および／
または(B)Ｗ：0.1％〜10.0％、Co：0.1％〜10.0％
の１種または２種を含有し、(A)および／または(B)
の場合は上記の元素の合計が90％以下であつて、
残部は実質的にNiおよび不可避の不純物よりな
る組成を有し、厚さが3.0〜300μｍであることを
特徴とする酸化雰囲気中での接合が可能な液相拡
散接合用合金箔であり、あるいは加えて実質的に
ガラス質であることを特徴とする液相拡散接合用
合金箔である。以下本発明を詳細に説明する。〔作用〕最初に本発明において各成分範囲を前記のごと
く限定した理由を以下に述べる。まず、Ｂ、Ｐ、Ｃはそれぞれ液相拡散接合を達
成するに必要な等温凝固を実現するための拡散原
子として、あるいは基材のNiの融点を被接合材
よりも低くするために必要な元素であり、それぞ
れの目的のためには0.5％以上含有させることが
必要であるが、本発明者らは詳細な研究によつて
10.0％以上含有させると接合部近傍Mo、Cr含有
合金側の結晶粒界に5μｍ以上の粗大な硼化物、
燐化物、炭化物がそれぞれ生成し、接合部強度が
著しく低下することを見いだしたので、各元素
個々の範囲を0.5〜10.0％未満とした。これらの元素は単独に添加しても液相拡散接合
を達成できるが、本発明においてはそれぞれの濃
度を10.0％未満と比較的低くする必要があること
から、インサートメタルの融点が高くなることが
ある。従つて液相拡散接合に要する時間が長くな
り、製造コストの上昇を招く結果となる。本発明者らは研究を重ねた結果、Ｂを主要な拡
散原子として添加する場合においてはＰ、Ｃが、
Ｐを主要な拡散原子として添加する場合において
はＢ、Ｃがインサートメタルの融点を更に低下さ
せて、液相拡散接合に要する時間を大幅に短縮で
きることを見いだした。即ち、Ｂを主要な拡散元素として添加する場合
にはインサートメタルは式融点＝1092−37×Ｃ％−24×Ｐ％で示される値の融点を持ち、Ｐを主要な元素とし
て添加する場合には融点＝881−13×Ｃ％−0.87×Ｐ％で示される値の融点を持つ。液相拡散接合における液相の消滅に要する時間
は理論式に実験値をあてはめて log(t)＝12.60837−6165.83／Ｔで示され、Ｂを主要拡散原子とするインサートメ
タルを用いる場合には800〜1200℃の接合温度範
囲においてごく粗い近似として、融点降下が同一
の破断強度（30Kg／mm²）を与えるに必要な接合時
間の短縮に寄与する効果が式短縮される接合時間（分）＝0.062×降下温度（接合時間15分以上、降下温度200℃以内の場合）で示されることが詳細な調査研究の結果明らかと
なつた。Ｂ、Ｐを単独で用いても液相拡散接合は十分に
可能であるが、上記の接合時間短縮によつて被接
合材であるオーステナイト系合金の結晶粒粗大化
による耐食性の劣化を低減することが可能であ
る。更につけ加えるならば接合時間短縮効果のコ
ストに与える影響は極めて大きく、工業的に大き
な意義を有している。以上の知見に基づいて単独添加の場合に比較し
て低融点のインサートメタルを製造すべく、Ｐ、
Ｂ、Ｃは２種以上を添加することを請求項１〜５
の必要条件とした。次にSiは基材のNiの融点を降下させるのに有
効な元素であるが、本発明の合金箔はＶを多く含
有することが特徴であり、そのために融点が比較
的高くなり接合時間が長くなることを防止するた
めに15.0％以上添加することが必要である。しか
しながら30.0％を越える添加では、酸化雰囲気中
での液相拡散接合の際にインサートメタル中にSi
を含む粗大な酸化物を生成し、接合部強度および
靱性を劣化させる場合があるので成分範囲を15.0
〜30.0％に限定した。ＶはCr含有合金表面のCrの酸化皮膜を溶融・
球状化させ、溶融インサートメタルと合金の濡れ
を良くし、Ｂ、Ｐ、Ｃの拡散がCr酸化皮膜によ
つて阻害されることを防止することで酸化雰囲気
中における液相拡散接合を実現させる極めて重要
な元素である。その添加量は0.1％未満ではCrの
酸化皮膜を溶融させるに不十分であるために効果
がなく、20.0％を越えて添加するとインサートメ
タルの融点が1300℃を越えてしまうか、あるいは
Ｖ燐化物、Ｖ炭化物が生成し、液相拡散接合が実
質的に不可能となるため0.1〜20.0％の範囲とし
た。以上が本発明の基本成分であるが、本発明にお
いてはこの他にそれぞれの用途に応じて、(A)
Cr：1.0〜20.0％、Fe：1.0〜20.0％、Mo：1.0〜
20.0％、の１種または２種以上および／または(B)
Ｗ：0.1〜10.0％、Co：0.1〜10.0％の１種または
２種を含有させることができる。まず、Cr、Fe、Moはこれらを含有する合金鋼
を液相拡散接合する場合に合金とインサートメタ
ルとの機械的特性の差異を減少させるべく添加す
る元素であつて、被接合材の合金鋼成分に見合つ
た範囲で含有量を決定すべきである。また、接合
部分が腐食環境に曝される可能性がある場合には
旧インサートメタル領域の耐食性向上にMoとCr
が、被接合材が耐熱鋼である場合には高温強度確
保のためにMo、析出強化元素としてのMoとCr、
およびFeがそれぞれ有効である。何れの元素も
0.1％未満では効果がなく、20.0％を越えて添加
するとインサートメタルの融点が1300℃を越え、
実質的に液相拡散接合が不可能となるか、あるい
はCr、Fe、Moの燐化物もしくは炭化物を生成す
るのでそれぞれ0.1〜20.0％の範囲とした。また、Ｗ、Coは主に高強度材料の接合に際し
て旧インサートメタル部分に高い高度を付与させ
る目的で添加する元素であつて、金属間化合物、
あるいは炭化物として析出し、強度を飛躍的に高
める。何れも0.1％未満では効果がなく、10.0％
を越えて添加するとインサートメタル中に粗大な
金属間化合物が生成してしまい、接合部靱性を著
しく劣化させる場合があるので0.1〜10.0％の範
囲とした。上述の各合金成分はそれぞれ単独に添加して
も、あるいは併用しても添加して良い。本発明の液相拡散接合用合金箔はインサートメ
タルとしての種々の形状で提供することが可能で
ある。例えば請求項１〜４の何れかの成分を有す
る合金を液体急冷法によつて箔とすることは本発
明の化学成分から十分に可能であるし、また最も
適している。更に、真空溶解、鋳造して通常の方
法で圧延、焼鈍し、箔の形態で提供することもま
た可能である。合金箔の結晶構造をガラス質としたのは本発明
の合金箔が液相拡散接合時に均一に溶融する必要
があるためである。不均一な組成で、含有合金成
分の偏析がある場合にはインサートメタルの融点
が接合部の位置によつて異なることとなり、均質
な接合界面を得られないためである。いうまでも
なく、均質な組成の合金箔を容易に得られる場合
には結晶構造はガラス質である必要はない。本発明では、通常合金溶湯を用いて液体急冷法
により箔を製造するが、ここで採用される基本的
製造方法は合金の溶湯をノズルを介して冷却基板
上に噴出し、熱的接触によつて急冷凝固させる液
体急冷法のうち、いわゆる単ロール法が適してい
る。もちろん、ドラムの内壁を使う遠心急冷法や
エンドレスタイプのベルトを使用する方法や、こ
れらの改良型、例えば補助ロールや、ロール表面
温度制御装置を付属させた方法、あるいは減圧下
ないし、真空中または不活性ガス中での鋳造もそ
れに含まれる。また、一対のロール間に溶湯を注
入して急冷凝固させる双ロール法も適用できる。合金箔の厚みは薄いほど接合部近傍における機
械的特性の変化が少なく、接合に要する時間も短
いので液相拡散接合に有利であるが、3.0μｍ未満
の場合にはＶの絶対量が被接合材合金表面のCr
酸化皮膜を無害化するに不十分となり、300.0μｍ
を越えると液相拡散接合終了までに要する時間が
10時間以上となつてしまい、実用的でないことか
ら3.0〜300.0μｍの厚みとした。本発明は液相拡散接合用の合金箔に関するもの
であるが、大気中で接合が可能であることから、
本発明合金箔をろう付け、半田づけなどの接合法
に応用することもまた可能であり、有用である。〔実施例〕第１表〜第32表に示すように請求項１〜４の何
れかの組成を有する合金約100ｇを(1)、単ロール
法（Cu合金製300mm径）にて急冷し、あるいは
(2)、真空溶解炉で溶製し、鋳造した後に通常の方
法で熱間圧延して、板幅２〜215mm、板厚30.0μｍ
の箔とした。なお、熱間圧延により製造した箔は
700℃で10時間、均一化焼鈍して巨視的な成分の
不均一をなくした。急冷箔の鋳造条件は、ロール
周速を5.0〜15.0ｍ／ｓの間に保持してある。得
られた箔は板幅と板厚をそれぞれ５点測定して、
上記の寸法が得られていることを確認した後に
DTA（示差熱分析装置）にて融点を測定した。融
点は第１表〜第32表に同時に示してある。次に化
学分析で成分を同定した。第１表〜第32表はその
分析結果で、単位は原子％である。各箔は何れも
Niを基材としており、各成分の和と100％との差
がNiと不可避の不純物の合計濃度を意味する。
各箔の結晶構造は上記の製造条件においては非晶
質、結晶質、および部分的に結晶質と非晶質の混
じつた構造の何れかになるが、何れの構造をとる
かはその組成で決定される。

【表】

【表】続いて第１表〜第32表合計1280の箔を含む請求
項１〜５を満足するインサートメタルおよび第33
表を含む比較的インサートメタル（従来型インサ
ートメタルを含む）を用いて液相拡散接合を実施
した。第33表の各箔の基材は何れもNiであり、
各成分の和と100％との差がNiと不可避の不純物
の合計濃度を意味する。第33表の箔の製造方法も
第１表〜第32表の本発明箔の場合と全く同様であ
る。

【表】試験片形状は第１図に示すごとく100mm厚×
1000mm幅×2000mm長で、低炭素鋼と62％Ni耐食
合金をそれぞれ用意し、第２図に示すごとく間に
インサートメタル３を挟み込んだ。第34表に液相
拡散接合に用いた被接合材化学成分を示した。

〔発明の効果〕

本発明は酸化雰囲気中においても液相拡散接合
が可能で、極めて破断強度の高い液相拡散接合を
短時間の接合で実現する液相拡散接合用合金箔を
提供するもので、産業の発展に寄与するところ極
めて大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は被接合材の模式図の一例を示す図、第
２図は液相拡散接合クラツド鋼板の組み立て要領
を表わす俯瞰図、第３図は完成したクラツド鋼板
と、接合部破断強度評価用引つ張り試験片採取要
領図、第４図はインサートメタル中のＶ量と接合
部破断強度の関係を表わす図、第５図はインサー
トメタル中のSi量と接合部破断強度の関係を表わ
す図、第６図は拡散原子をＢ、Ｐ単独に選んだ場
合と、Ｂ＋Ｐ、Ｂ＋Ｃ、Ｐ＋Ｃ、Ｂ＋Ｐ＋Ｃの複
合添加にした場合の必要接合時間を比較した図、
第７図は本発明インサートメタルの融点降下によ
る接合時間短縮の効果を表わした図、第８図は本
発明インサートメタル中のＢ濃度と破断強度の関
係を示す図、第９図はインサートメタルの厚みが
液相拡散接合によつて30Kg／mm²以上の破断強度を
有する接合部を得るのに要する接合時間に与える
影響を表わす図である。１……被接合材（炭素鋼）、２……被接合材
（合金鋼）、３……液相拡散接合用合金箔（インサ
ートメタル）、４……接合部破断強度調査用引つ
張り試験片、５……液相拡散接合済みクラツド鋼
板、ｘ……クラツド鋼板幅方向、ｙ……クラツド
鋼板長さ方向、ｚ……クラツド鋼板厚方向。

Claims

【特許請求の範囲】１原子％でＢ：0.5％〜10.0％未満、Ｐ：0.5％
〜10.0％未満、Ｃ：0.5％〜10.0％未満の２種以上
を含有し、かつSi：15.0％〜30.0％、Ｖ：0.1％〜
20.0％を含有し、残部は実質的にNiおよび不可避
の不純物よりなる組成を有し、厚さが3.0〜300μ
ｍであることを特徴とする酸化雰囲気中での接合
が可能な液相拡散接合用合金箔。２原子％でＢ：0.5％〜10.0％未満、Ｐ：0.5％
〜10.0％未満、Ｃ：0.5％〜10.0％未満の２種以上
を含有し、かつSi：15.0％〜30.0％、Ｖ：0.1％〜
20.0％を含有し、加えて更にCr：0.1％〜20.0％、
Fe：0.1％〜20.0％、Mo0.1％〜20.0％の１種また
は２種以上を含有し、以上の各元素の濃度の合計
が90％以下であつて残部は実質的にNiおよび不
可避の不純物よりなる組成を有し、厚さが3.0〜
300μｍであることを特徴とする酸化雰囲気中で
の接合が可能な液相拡散接合用合金箔。３原子％でＢ：0.5％〜10.0％未満、Ｐ：0.5％
〜10.0％未満、Ｃ：0.5％〜10.0％未満の２種以上
を含有し、かつSi：15.0％〜30.0％、Ｖ：0.1％〜
20.0％を含有し、加えて更にＷ：0.1％〜10.0％、
Co：0.1％〜10.0％の１種または２種を含有し、
以上の各元素の濃度の合計が90％以下であつて残
部は実質的にNiおよび不可避の不純物よりなる
組成を有し、厚さが3.0〜300μｍであることを特
徴とする酸化雰囲気中での接合が可能な液相拡散
接合用合金箔。４原子％でＢ：0.5％〜10.0％未満、Ｐ：0.5％
〜10.0％未満、Ｃ：0.5％〜10.0％未満の２種以上
を含有し、かつSi：15.0％〜30.0％、Ｖ：0.1％〜
20.0％を含有し、加えて更に0.1％〜20.0％、Fe：
0.1％〜20.0％、Mo：0.1％〜20.0％の１種または
２種以上およびＷ：0.1％〜10.0％、Co：0.1％〜
10.0％の１種または２種を含有し、以上の各元素
の濃度の合計が90％以下であつて残部は実質的に
Niおよび不可避の不純物よりなる組成を有し、
厚さが3.0〜300μｍであることを特徴とする酸化
雰囲気中での接合が可能な液相拡散接合用合金
箔。５実質的にガラス質である請求項１〜４の何れ
かに記載の酸化雰囲気中での接合が可能な液相拡
散接合用合金箔。